|
| |
 |
Главная » Мануалы 1 ... 9 10 11 12 13 14 15 ... 18
dEjdT. мкВ/К 11,63 11,58 11,53 11,48 11,43 11,39 11,34 11,29 11,25 11,20 11,16 11,11 11,07 11,03 10,99 10,94 10,90 10,86 10,82 10,78 10,74 10,70 10,66 10,62 10,58 10,54 10,50 10,46 10,43 10,39 10,35 10,32 10,28 10,24 10,21 10,17 10,14 10,10 10,07 10,03 10,00 9,97 9,93 9,90 9,87 9,83 9,80 9,77
Примечание. Температура свободных концов 273,16 К. и X-МЖ с электродом, содержащим 0,12 % Fe. Таблицы являются базовыми для градуировки конкретных термопар. Поправочная функция в виде степенного полинома находится по отклонениям значения т. э. д. с. в нескольких точках от табличных значений. Допускаемые отклонения т. э. д. с. В сплаве МЖ допускают большой разбег в содержании железа и т.э.д.с. термопары М-МЖ нормируется в широких пределах; 2750±300 мкВ прн температуре рабочих и свободных концов 4,2- и 273, 15 К соответственно. Разброс значений т. э. д. с. термопар, изготовленных из проволоки МЖ одной партии (тысячи метров проволоки), не превосходит ±36 мкВ при 4,2 К и ±22 мкВ при 77 К. Точность термопары. Полная погрешность градуировки термопар составляет (мкВ): Термопара М-МЖ X-МЖ 4-20 0,37 0,59 К 20-75 0,34 0,56 К 75-273 К 0,32 0,52 Точность термопар при индивидуальной градуировке в криоста-те ~ 0,03 К. С помощью градуировки по 3-4 точкам н приведения к базовой градуировочиой таблице можно достигнуть точности не хуже 0,1 К. Рекомендуемые рабочие атмосферы и интервал рабочих температур. Срок службы (технический ресурс) Термонарами измеряют температуру в вакууме, на воздухе, в жидких и газообразных азоте, водороде и гелии. Интервал рабочих температур: для термопар М-МЖ 2-160 К, для термопар Х-МЖ 2-300 К. Термоэлектрическая стабильность Максимальное изменение т.э.д.с. термопары М-МЖ при 4,2 К за 15 мес составляет 1,4 мкВ, а среднеквадратическое отклонение от начального значения не превосходит 0,6 мкВ нли -О.ОбК в температурном эквиваленте [381]. Пять циклических нагревов от 4,2 до 273 К 16 термопар М-МЖ не привели к статистически значимым изменениям т. э. д. с. при 4,2 К (температуре свободных концов 273,15 К). Отсутствие изменений т.э.д.с. зафиксировано также после нагрева в вакууме при 200 °С в течение 1 ч. Влияние деформации на т.э.д.с. Проволока из сплава МЖ в состоянии поставки после сильной пластической деформации уменьшает т.э.д.с: при 4,2-40К Дифференциальная т.э.д.с. может понизиться на 3-1 мкВ/К. Деформация термопар М-МЖ (проволока диаметром 0,2 мм) при пятикратной намотке и размотке на стержень диаметром 10 мм вызывает уменьшение т. э. д, с. при 4,2 К на 1,7 мкВ или 0,2 К в температурном эквиваленте. Влияние термической обработки на т. э. д. с. Проволока из сплава МЖ, поставляемая потребителям, находится в закаленно.м состоянии. Термическая обработка проволоки на готово заключается в протяженном отжиге (закалке) в защитной атмосфере при 750 °С со скоростью 0,5-3 м/мин. Проволока, закаленная с 600-750°С, имеет наивысшую т.э.д.с. и минимальную термоэлектрическую неоднородность. Термическая обработка непосредственно после закалки вызывает очень слабые изменения т.э.д.с. (старения практически не происходит). Пластическая деформация ускоряет процесс старения, который протекает интенсивно при 250-400 °С. Термоэлектрическая неоднородность термоэлектродных сплавов Местная термоэлектрическая неоднородность проволоки из сплава МЖ, измеренная по методу двух сред при 77-273 К, близка к т. э. д. с. неоднородности чистой меди и не превосходит 2-3 мкВ. Доверительные границы стандартного отклонения т.э.д.с. при доверительной вероятности 90 %: 0,98 мкВ:01,7 мкВ. Среднеквадратическое отклонение т. э. д. с. по длине одной катушки проволоки с вероятностью 95 % при 4,2 К не превосходит 6,3 мкВ, а при 77 К- 2,7 мкВ. См. гл. 8. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬ ТЕРМОЭЛЕКТРОДНЫХ СПЛАВОВ 8.1. ПРОЯВЛЕНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ Проволока из термоэлектродиых сплавов и электроды термопар, изготовленные из этой проволоки, а также электроды термопар, подвергавшиеся эксплуатации, имеют неодинаковую по длине т. э. д. с, т. е. термоэлектрически неоднородны. Это - одно из общих проявлений неоднородности физических свойств реальных металлов и Сплавов, обусловленной колебаниями состава и структуры. Т. э. д. с. является одним из свойств, наиболее чувствительным к химической и Структурной неоднородности металлов. Несмотря на то что термоэлектрическая неоднородность (ТЭН), как правило, представляет собой сравнительно небольшие колебания т. э. д. с, она играет исключительно важную роль в термоэлектрической термометрии. ТЭН электродных сплавов осложняет взаимозаменяемость термопар, затрудняет аттестацию термоэлектродиых сплавов и производство точных измерений. Наблюдаемая экспериментально ТЭН или неоднородность интегральной т.э.д.с. (НИТ) термоэлектродной проволоки и термоэлектродов термопар может проявляться в виде: разброса термоэлектрических характеристик термопар, изготовленных из проволоки одной бухты (катушки); зависимости показаний термопары от глубины погружения ее в среду с измеряемой температурой; зависимости показаний термопары от распределения температуры вдоль ее термоэлектродов, а не только от температур горячего спая и свободных концов, что может привести к дополнительной погрешности, не устраняемой даже индивидуальной градуировкой термопар, если температурные поля при градуировке и эксплуатации термопар различны; нестабильности показаний термопары, связанной с изменением ТЭН в процессе эксплуатации, которое трудно учесть даже путем . повторной градуировки. Для неоднородной термоэлектродной проволоки или термоэлектродов абсолютная дифференциальная т. э. д. с. 5 является функцией не только температура Т, но и координаты по длине проволоки (электрода) х: SS(x,T)=S(T)-l-dS(x,T), (8.1) где S{T)-усредненное по длине проволоки или электрода значение S, а 6S описывает флуктуации или неоднородность абсолютной дифференциальной т.э.д.с. (НДТ). Интегральная т. э. д. с. Е, развиваемая на участке xi, х^ неоднородной проволоки или электрода термопары, помещенных в температурном поле Т{х) с градиентом Vt(x), равна: El = Е (Г + J- 65 (x, Т) {x) dx = £ (Т^. Tg) -i- J 6S [л; (Г), rj dT = El + bEj-, (8.2) где £ - усредненное по длине проволоки илн электрода значение £. Интегральная т. э. д. с. неоднородной проволоки (электрода термопары), концы которой поддерживаются при одинаковых температурах {Ti = t2), не равна нулю, а определяется распределением температуры, что делает неприменимым к ней закон Магнуса (см. 1.1). Второе слагаемое в формуле (8.2) представляет собой паразитную т. э. д. с. (т. э. д. с. неоднородности или погрешность неоднородности) или НИТ. Из определения НИТ в формуле (8.2) следуют все перечисленные выше проявления ТЭН. Так, если расстояния г, на которых происходит изменение т.э.д.с. (масштабы неоднородности), соизмеримы с шириной температурного поля Лг, то величина интеграла в выражении (8.2) при заданной bS{x) в значительной степени определяется формой этого поля Vt{x). Если же этот масштаб значительно больше кт, так что в области градиента температуры проволоку можно считать однородной (6S=const=6Si), то 6£jJ (л;) = = J bSx(T)dT, а форма температурного поля уже не имеет зна- чения, Е определяется лишь положением х температурного поля по 230 длине термоэлектродной проволоки (глубиной погружения электрода термопары). Наконец, если масштабы неоднородности много меньше ширины температурного поля, например в случае периодического колебания т.э.д.с. с периодом г<Ат, то такая неоднородность практически не скажется на величине интегральной т. э. д. с. вследствие ее усреднения или взаимной компенсации на длине Ат. Наблюдаемая ТЭН (НИТ) является следствием НДТ, которая в свою очередь подобно неоднородности других физических свойств связана с неоднородностью химического или фазового состава или структурного состояния термоэлектродного сплава. В отличие от неоднородности других свойств наблюдаемая ТЭН в значительной степени зависит от распределения температуры вдоль термоэлектродной проволоки (термоэлектродов). В настоящее время отсутствует микроскопическая теория термоэлектрической неоднородности металлических сплавов, позволяющая предсказать точный вид температурной зависимости ТЭН и ее связь с флуктуациями состава и структуры в широком диапазоне температур и масштабов неоднородности. Приближенное описание ТЭН в области низких температур для масштабов ТЭН, значительно превышающих длину свободного пробега носителей тока, т, е, для макроскопических масштабов, представляющих практический интерес, получено в работе Г386]. Его вид указывает на сильную температурную зависимость 6S; 6S(x,T) = AT4c{xy=fp{T)bS{x), (8.3) где бс(х) - флуктуация концентрации центров рассеяния - дефектов, примесных атомов и т. д.; А - константа. В области высоких температур НДТ также представляет собой произведение двух функций - функции координат (случайной см. ниже) и температуры (детерминированной), которая, как в выражении (8.3), может приводить к заметной температурной зависимости НИТ. Экспериментальные данные по температурной зависимости ТЭН см. ниже. ТЭН термоэлектродной проволоки возникает при ее изготовлении на всех стадиях технологии производства - от плавки и литья сплава до термической обработки проволоки на готово . ТЭН термоэлектродов представляет собой суперпозицию ТЭН проволоки и ТЭН, вызываемой операциями по изготовлению термоэлектродов и термопар. ТЭН термоэлектродов работающих термопар есть результат наложения неоднородностей, вызываемых эксплуатацией (взаимодействием с окружающей средой и изоляционной керамикой, рекристаллизацией и т.п.), на ТЭН электродов в исходном состоянии. Эксплуатационная составляющая ТЭН становится значительной, главным образом у термоэлектродов высокотемпературных термопар, и является главной причиной нестабильности т. э. д. с. и дрейфа их показаний. 8.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ Пространственные масштабы В наиболее простой и очень распространенной из принятых схем классификации ТЭН [2; 387; 4 , с. 92-107; 41, с. 72-91] наблюдаемую неоднородность относят к двум категориям - протяженной и местной (распределенной и локальной). Протяженная неоднородность ответствена за разброс градуировки термопар, изготовленных из проволоки одной бухты или катушки. В некоторых случаях разброс в пределах одного слитка или плавки также относят к протяженной неоднородности. Местная ТЭН, представляющая собой изменение термоэлектрических свойств на длине одной термопары, приводит к зависимости показания термопар от глубины погружения и от характера распределения температуры вдоль термоэлектродов. Характерным размером, позволяющим различать эти два вида ТЭН, является длина зоны градиента температуры (или термоэлектрода): неоднородности, масштаб которых соизмерим с этой длиной, являются местными; неоднородности большого масштаба относят к протяженным. Данная классификация весьма произвольна, поскольку эффективные размеры зоны градиента температуры могут охватывать диапазон от нескольких миллиметров до десятков метров, в такой же степени это относится к длине термоэлектродов. В результате неоднородность термоэлектродной проволоки, являющаяся местной при одних условиях эксплуатации, в других условиях для термопар, изготовленных из той же проволоки, может оказаться протяженной. В работах [388, 389] предлагается деление ТЭН на четыре класса: 1) мелкомасштабные неоднородности, соответствующие изменениям свойств на длине менее 5 м (часто до нескольких сантиметров) ; 2) среднемасштабные неоднородности, соответствующие изменениям свойств на длине, превосходящей 5 м, в пределах одной катушки (бухты) проволоки; 3) крупномасштабные неоднородности, соответствующие разбросу свойств между участками проволоки, принадлежащими различным катушкам или бухтам в пределах одной заготовки или плавки; 4) разброс между партиями за счет изменения химического состава, термообработки и обработки давлением материала, выпущенного различными изготовителями или одним изготовителем в разное время. Отметим, что используемый в данной классификации характерный размер длины 5 м, отделяющий местную (мелкомасштабную) и протяженную (средне- и крупномасштабную) неоднородности, ие имеет реального физического смысла. Разброс между партиями обычно считают не показателем неоднородности, а вопроизводимо-стью состава и технологии производства термоэлектродной проволоки, которая, естественно, включает неоднородности меньших масштабов. В последние годы получил распространение более адекватный спектральный подход к описанию масштабов ТЭН (см. ниже). Форма неоднородностей При анализе погрешностей термопар, обусловленных ТЭН термоэлектродной проволоки, в ряде работ (см., например, [45, с. 107- 115; 390-397; 365]) пользовались различными упрощенными моделями ТЭН, в которых задавалось распределение т. э. д. с. по длине проволоки в виде отдельных ступенек, апериодической кривой, периодических кривых различной формы и т. п. Так, в работах [391, 393-395] качественно рассмотрены погрешности термопар, имеющие неоднородности типа 1 и 2, показанные на рис. 8.1. Эти погрешности зависят от положений точек контактов разнородных участков в зоне градиента температуры, т. е. от глубины погружения термопар . Погрешности, обусловленные неоднородностями типа 4 и 5 (см. рис. 8.1), рассмотрены в работе [41, с. 107-115], где показано. Рис. 8.1. Модели для описания формы термоэлектрической неоднородности: / - проволока, состоящая из двух кусков; 2 - кусок проволоки из чужеродного материала, вставленный в однородную проволоку; 3 - проволока, состоящая из нескольких кусков различных однородных материалов; 4-проволока с периодической неоднородностью кусочного типа; 5 - проволока с периодической неоднородностью гармонического типа Л тл п п что они определяются соотношением между длиной зоны градиента температуры и периодом колебаний т. э. д. с. Описанный подход с применением моделей ТЭН имеет лишь методическую ценность, поскольку ТЭН реальных термоэлектродных проволок значительно сложнее, чем рассмотренные модели, и, как правило, не описывается простыми детерминированными функциями. В работе [390] для качественного анализа влияния формы температурного поля иа ТЭН также использовали несколько простых моделей ТЭН, а для оценки погрешности при произвольной форме ТЭН использовали более общий подход с применением Фурье-анализа. В последние годы развит еще более общий стохастический подход к описанию ТЭН [386, 398-403], в котором ТЭН представляется в виде случайной функции координаты (или суммы случайной и неслучайной функций), характеризуемой дисперсией, корреляционной функцией, спектральной плотностью и другими статистическими характеристиками. Основанием для такого подхода является тот факт, что реальные кривые, описывающие изменения ТЭН или НИТ по длине проволоки, представляют собой набор случайных осцилляции, обусловленных макроскопическими флуктуациями состава, концентрации дефектов, напряжений и т. п. При использовании концепции случайных функций для описания ТЭН отпадает необходимость в искусственной классификации неоднородности по масштабам (местная, протяженная и т. п.) или в использовании каких-либо моделей формы кривых ТЭН. Вместо этого вводится спектральное представление ТЭН, где основной характеристикой является спектр пространственных частот неоднородности. Если при измерении ТЭН рассматривать интегральную т.э.д.с. как случайную функцию координаты по длине проволоки, то возникновение наблюдаемой НИТ (или разброса т.э.д.с. отдельных термопар) есть результат преобразования одной случайной функции S{x) или НДТ в другую Е{х) или НИТ в результате перемещения вдоль проволоки температурного поля: £ W = 1S (g, Г) Vr(* - £) dli= Е + J bS(l, Т) sir {x - g) = oo yj = l + J(p.(r)6S(£)v(x-0 S. (8.4) и где д; - подвижная координата по длине проволоки, определяющая мгновенное положение температурного поля, а t, - неподвижная координата, жестко привязанная к проволоке. Второе слагаемое в выражении (8.4) может содержать также неслучайную функцию координаты, обычно монотонно меняющуюся вдоль бухты проволоки; в этом случае в выражении (8.4) возникает дополнительное неслучайное слагаемое. Данный подход оказался весьма эффективным при сравнительном анализе различных методов измерения ТЭН [392, 402, 403]. В работах [392, 398-400] стохастический подход использован для получения оценок погрешности термопар от ТЭН термоэлектродной проволоки. 8.3. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ Существующие методы измерения ТЭН можно условно разделить на четыре группы [42, с. 93-106]: метод сравнения (сличения), контактные методы, бесконтактные методы, метод двух сред. Последний также представляет собой одни из бесконтактных методов. 8.3.1. МЕТОД СРАВНЕНИЯ (СЛИЧЕНИЯ) От исследуемой бухты проволоки отбирают отдельные отрезки, которые затем сваривают или скручивают с электродом сравнения и погружают в печь или сосуд Дьюара и регистрируют т. э. д. с. образующихся термопар. В качестве электрода сравнения обычно используют кусок проволоки из данного или другого материала высокой однородности. Разброс показаний термопар, образованных отрезками исследуемой проволоки и проволоки электрода сравнения, характеризует термоэлектрическую неоднородность бухты или партии в целом (см., например, [387]). Если в качестве электрода сравнения используется отрезок проволоки той же бухты, то возни- Дискретный вариант этой функции описывает разброс т. э. д. с. термопар, изготовленных из отдельных участков проволоки, выбираемых последовательно по длине бухты. 2 Метод применим как при высоких, так и при низких температурах. кающая т. э. д. с. характеризует крупномасштабную неоднородность [388]. Достоинством метода сравнения является его простота, благодаря чему он широко применяется в условиях производства для контроля качества термоэлектродной проволоки (например, путем сравнения т.э.д.с. отрезков, взятых от двух концов бухты). Недостатком метода является низкая производительность и невозможность непрерывного исследования свойств по длине бухты. Между тем данный метод допускает непрерывное измерение т.э.д.с. по длине термоэлектродов путем постепенного изменения глубины погружения- речь идет о так называемых динамических испытаниях [388] - в отличие от статических, при которых глубина погружения остается постоянной. 8.3.2. КОНТАКТНЫЕ МЕТОДЫ Для контактных методов характерно наличие скользящего контакта между электродом сравнения и исследуемой проволокой, которая протягивается через цилиндрическую трубчатую печь [387, 393] или печь с Т-образным нагревателем [45, с. 232-238]. Электрод сравнения выполнен из проволоки, расположенной под прямым углом к исследуемой проволоке, и прижимается к ней с помощью пружины [45, с. 232-238] или представляет собой массивное тело, служащее одновременно печью, на которое намотан нагреватель [405]. В этих методах все участки проволоки последовательно проходят через область градиента температуры, так что производится непрерывная регистрация ТЭН вдоль проволоки. Данные методы применялись лишь при высоких температурах [387, 393, 406]; применение их при температурах ниже комнатной, по-видимому, связано с большими методическими трудностями. Существенным ограничением методов является их применимость лишь для исследования благородных металлов, поскольку во всех других случаях на поверхности проволоки присутствует окисная пленка, препятствующая образованию надежного электрического контакта. 8.3.3. БЕСКОНТАКТНЫЕ МЕТОДЫ В этих методах в зоне градиента температуры отсутствуют электрод сравнения и контакты. Концы исследуемого отрезка проволоки присоединяют к зажимам регистрирующего прибора, а вдоль проволоки перемещают с постоянной скоростью температурное поле. При этом каждый участок проволоки дважды проходит через зоны градиента температуры (рис. 8.2, кривые а,Ь, с и а', Ь', с') на входе в температурное поле и иа выходе, а регистрируемый сигнал представляет собой алгебраическую сумму сигналов от двух участков проволоки, находящихся в данный момент в зоне положительного и отрицательного градиентов соответственно. Если эти градиенты равны по абсолютной величине как, например, в методе симметричных градиентов (см. ниже), то сигнал, соответствующий любой точке х дТ1дх>0, если температура испытания Т выше температуры окружающей среды Го и дТ1дх<0, если 7<7а. дТ/дх<0, если Г>7о и дТ1дх>0, если 7<Го. проволоки, равен [см. формулу (8.4) и кривые Ь, Ь' на рис. 8.21: сигн W = J 5 (S, Г) (l-x)dl= J 5 (С, Т) X X(S-A:)dg+ f S(g, Г) vr(e-:t)d?- (8.5) Ьсли принять для простоты, что 5(5, Г) 5 (S), то из формулы (о.о) следует: т t- j Е^шт(х)= j [S(S)-S(2: + 2/j + /2-£)]VrdS, (8.6)
Рис. 8.2. Влияние формы температурного поля на форму кривой НИТ для нескольких простых форм НДТ [ЗЭД: у i v а^ш (д;) - распределение температуры; (х) - градиент температуры: б5(х)- фактическая (истинная) неоднородность - HDT; б£(.) - экспериментальная кривая i (rini). крггвые а, а'\ Ь, Ь', с, с' - соответствуют бесконтактным методам точечного нагрева симметричных и асимметричных градиентов соответственно; кривые d, d - методу двух сред Т. е. наблюдаемая ТЭН определяется разностью т.э.д.с. участков проволоки, разделенных промежутком, порядка ширины температурного поля, а не самой т. э. д. с. на данном участке. Следовательно, этот метод нельзя использовать для оценки ТЭН на расстояниях больших, чем + В случае, если градиенты на входе и выходе не равны (по абсолютной величине) между собой, то от соотношения их величин будет зависеть чувствительность метода к не-однородностям разного масштаба. Бесконтактные методы можно классифицировать в соответствии с формой температурного поля. При этом обычно выделяют три разновидности [42, с. 93-106]: 1 - метод точечного нагрева; 2 -метод симметричных градиентов; 3 - метод асимметричных градиентов. Температурным полям этих методов приближенно соответствуют кривые а, а'\ Ь, Ь' и с, с' на рис. 8.2. Метод точечного нагрева осуществляется с помощью короткой печи, обмотка которой состоит нз одного или двух витков [407], газовой горелки или форсунки, обдувающей проволоку нагретым воздухом [408]. При этом проволоку протягивают через очень короткую зону высокой температуры, по обе стороны которой градиенты температуры одинаковы по величине. Метод симметричных градиентов применим при высоких и низких температурах, как показано в работах [409-411], в которых ои называется методом петли. В этих работах проволоку протягивают через U-образную трубку, погруженную в жидкий азот; концы проволоки были подключены к зажимам гальванометра. Симметричный нагрев достигается протягиванием проволоки через протяженную трубчатую печь [16, 412]. В этом методе градиенты на входе и выходе одинаковы, как в методе точечного нагрева, но в центре температурного поля располагается зона постоянной температуры (см. рис. 8.2, кривые 6, &). Метод асимметричных градиентов характеризуется температурным полем с узкой зоной постоянной температуры и существенно различными градиентами на входе и выходе из поля (различные протяженности переходных зон). Наличие асимметрии повышает чувствительность метода к протяженной неоднородности. Для достижения асимметрии температурного поля в работах [45, с. 232-238; 413; 414] применяли печи или нагреватели специальной формы с различными градиентами на входе и выходе . В работе [40, с. 127-138] использовали трубчатую печь с асимметричным нагревателем, а увеличение асиммегрии температурного поля достигалось охлаждением проволоки, выходящей из печи, водой. В работе [410] асимметрия температурного поля в устройстве для измерения ТЭН достигалась за счет того, что проволока входила в ванну с жидким азотом или термостат через прямолинейную трубку, а выходила по спирали. В результате длины переходных зон различались очень сильно и асимметрия поля могла достигать величины 1 ; 1000. Все описанные бесконтактные методы позволяют осуществлять непрерывную регистрацию ТЭН в широком интервале температур на проволоке из любых термоэлектродиых материалов. Недостатком методов является снижение чувствительности прн увеличении масштабов неоднородности; иными словами, они дают искаженное представление о частотном спектре ТЭН. Метод двух сред был детально методически разработан и ап-паратурно оформлен в работах [48, с. 243-264; 40, с. 127-148; 49, с. 1973-1990; 415; 416]. В этом методе проволоку исследуемой бухты перематывают с катушки, находящейся в среде с одной температурой, например на воздухе, на катушку, находящуюся в среде с другой температурой (жидкий азот [415], нагревательная печь [40, с. 127-138; 48, с. 243-264; 53, с. 1 - 15; 416; 49, с. 1973-1990] нагретое масло [49, с. 1973-1990; 417], соляная ванна [49, с. 1855- 1866; 418]). Концы бухты выводятся на оси катушек, которые с помощью скользящих контактов (вне зоны градиента температуры) н отрезков исследуемой проволоки подключаются к клеммам регистрирующего прибора. Один из этих отрезков, проходящий через границу раздела двух сред, служит электродом сравнения (рис. 8.3).  Рис. 8.3. Схема установки для измерения ТЭН методом двух сред в интервале 77-300 К: / - электродвигатель; 2 - червячные передачи; 3 - ванна с жидким азотом; -приемный барабан; 5 - подающий барабан; 5 - исследуемая проволока; 7 - электрод сравнения; 8 - скользящие контакты; 9- сосуд Дьюара; /О - переключатель полярности; 11 -к измерительному прибору В связи с те.м, что последний закреплен неподвижно, он вносит вклад в постоянную составляющую измеряемой величины ТЭН. Метод двух сред также можно отнести к бесконтактным (отсутствует контакт в переходной зоне), однако в отлнчие от других бесконтактных методов он характеризуется наличием всего одной переходной зоны, через которую проходит каждый участок проволоки, а результирующий сигнал соответствует ТЭН участка проволоки, проходящего в данный момент через эту зону, а не разности двух сигналов, как в других методах. В результате частотный спектр ТЭН искажается очень мало. Известны также методы, сочетающие отдельные черты нескольких перечисленных выше методов. Так, в работе [419] использовался метод, напоминающий метод петли, с той лишь разницей, что обе ветви образованы концами длинного отрезка проволоки, намотанного на катушку, погруженную в жидкий азот. При этом ветвь, входящая в резервуар с азотом, неподвижна и вдоль нее создается фиксированный градиент температуры, а другая непрерывно вытягивается из резервуара, сматываясь с катушки, так что вдоль нее создается движущийся градиент температуры. В результате метод напоминает бесконтактный метод симметричного нагрева. Можно отметить также подобный метод, использующий движущиеся асимметричные температурные градиенты при испытаниях в ртути [420]. Описанная выше классификация методов не является единственно возможной. Так, в работах [392, 403] авторы считают классификацию методов по способу контакта неудачной и относят все перечисленные методы к контактным. При этом в одних случаях этот контакт является внешним и создается механическим путем (скрутка, скользящий контакт, пружинный контакт, захват), а в других - внутренним (точечная печь, асимметричный нагреватель, метод двух сред). Авторы предлагают также изменить названия методов внутреннего контакта - точечной печи, асимметричного нагревателя и метода двух сред-на методы двуполярного симметричного градиента температуры, двуполярного асимметричного градиента температуры и однополярного градиента температуры соответственно. В ряде зарубежных работ методы, которые по приведенной выше классификации относятся к бесконтактным, именуют методами движущегося градиента [49, с. 1973-1990]. 8.3.4. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РАЗЛИЧНЫХ БЕСКОНТАКТНЫХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ТЭН, ВКЛЮЧАЯ МЕТОД ДВУХ СРЕД Для всех перечисленных методов характерно перемещение вдоль проволоки неоднородного температурного поля. При этом для каждого метода характерна своя форма поля, наличие одной или двух переходных зон и соответственно различная чувствительность к не-однородиостям различных масштабов. Попытки оценить адекватность различных методов измерения ТЭН на основе анализа формы кривой НИТ по заданной форме НДТ и форме температурного поля делались в ряде работ. Так, в работе [41, с. 92-107] эта задача решалась аналитически для простых моделей НДТ (см. рис. 8.1), в работе [42, с. 93-106] для этого использовали графический метод, в работе [390], помимо графического качественного метода (см.. рис. 8.2), использован более строгий подход на основе Фурье-анализа. По результатам этих работ можно сделать вывод о том, что метод двух сред в наименьшей степени искажает форму кривой НИТ. Более строгий количественный подход, учитывающий случайный характер распределения неоднородности по длине проволоки, развит в работах [386, 402] на основе спектрального представления ТЭН с применением методов теории случайных функций. Процесс преобразования случайной функции iS(£, Т) в Е(х, Т) при измерении ТЭН описывается формулой (8.6), которую можно переписать в виде: (8.7) где /1(л:-)=ф[Г(л:-)]Уг(л:-?) - весовая функция линейной стационарной системы, осуществляющей это преобразование (в данном случае температурного поля, перемешающегося вдоль проволоки), от которой зависит вид преобразованной функции и которая определяется в основном формой температурного поля. Частотная характеристика системы, представляющая собой Фурье-преобразование ее весовой функции (8.8) Я(1И)= \ h(x)edx. определяет связь между спектральными характеристиками НДТ и НИТ (частотную полосу пропускания системы): (8.9) где gE((o) и gs((u)-спектральные плотности (спектры) неоднородности интегральной и дифференциальной т.э.д.с. соответственно. Последние являются Фурье-  Рис. 8.4. Формы температурного поля и частотные функции для метода двух сред [402]: а - идеальный случай; б - обе среды газообразные, например воздух-атмосфера печи; в - одна среда жидкая, другая - газообразная, например воздух - жидкий азот преобразованиями соответствующих корреляционных функций: К^х), НДТ и НИТ: g((o) =- KE(T)cos{m) dl, о (8.10) где L - длина реализации случайной функции (в данном случае длина проволоки). Аналогично определяется и gs(o)); можно с помощью обратного Фурье-преобразования определить К{х), откуда легко найти дисперсию случайной функции а2=/С(0). Формы температурного поля и частотные функции для метода двух сред для случая, когда 5(S, Г)=5(), представлены на рис. 8.4. Видно, что метод характеризуется очень широкой полосой пропускания , т. е. в широком диапазоне частот (ia) =const. Если принять, что ширина переходной зоны составляет 10 см, длина исследуемой проволоки L=100 м, а температура 7=200 К, то можно найти, что для первых 300 частот п^ЗОО (т. е. для неоднородностей с периодом от 100 м до 100/300=30 см) искажения амплитуд не превысят 1 %. Это означает, что метод двух сред воспроизводит кривые ТЭН практически без искажений. Подобный результат получается и при учете температурной зависимости. Аналогичные расчеты для других бесконтактных методов с двумя переходными зонами пока- Т IHUcj)! 1-Oj   (j,n  зывают (например, для метода точечного нагрева), что соответствующие частотные характеристики представляют собой кривые с максимумом (рис. 8.5). Таким образом, существование двух переходных зон приводит к весьма сильным искажениям спектров ТЭН. Очень сильные искажения имеют место в наиболее важной с практической точки зрения полосе частот О^и^ <100 (0<(u <[jt/L]100), в которой составляющие неоднородность гармоники в значительной степени ослабляются в сравнении с номинальным уровнем (полное пропускание), причем степень ослабления сама сильно зависит от частоты. Таким образом, методы с двумя переходными зонами не дают правильного представления об истинном спектре ТЭН, а соответствующие оценки погрешности будут неадекватными. В соответствии с изложенным наиболее предпочтительным методом измерения ТЭН является метод двух сред - единственный стандартизованный в настоящее время метод (ГОСТ 22663-77). В качестве оценки ТЭН в этом методе используется величина дисперсии, определяемая по результатам статистической обработки полученной информации, или размах т.э.д.с. на длине исследуемого отрезка. Существующая аппаратура (см., например, [417, 421]) позволяет исследовать отрезки проволоки длиной в несколько сотен метров. По данным, полученным с применением этого метода, в ГОСТ 22666-77 регламентированы величины ТЭН копеля и меди для низкотемпературных термопар. При отсутствии необходимой аппаратуры, а также в случае оценки неоднородности по показаниям совокупности отдельных термоэлектродов (термопар) часто используют метод сравнения (сличения). Как следует из изложенного, полученные данные будут характеризовать неоднородность на расстояниях, превосходящих длину одной термопары (или равных ей). При измерениях желательно, чтобы способ отбора образцов (например, соответствующая разбивка бухты с использованием таблицы случайных чисел) позволял учесть все возможные частоты. Рис. 8.5. Формы температурного поля и частотные функции для метода точечного нагрева [402]; а - Т(х) описывается гауссовой кривой; 6 - Т(х) имеет треугольный внд 8.3.5. ПОГРЕШНОСТЬ ТЕРМОПАР, ВЫЗЫВАЕМАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬЮ Т. Э. Д. С. Значения Оизм, найденные при измерениях ТЭН методами двух сред или сличения, могут служить адекватными характеристиками ногрешиости термопар в реальных условиях экснлуатации 0 кслп лишь нрн совнадении температурных полей при измерении ТЭН и при работе термопар. При невозможности выполнения этого условия необходимо, чтобы значения ширины зоны градиента температур в процессе измерения ТЭН Лизм и эксплуатации термопары Л копл и наименьший измеренный период в спектре ТЭН Lmin удовлетворяли следующему неравенству: /гизм/г копл<£т1п. Нарушение левой части этого неравенства приведет к заниженной оценке погрешности от неоднородности за счет появления вклада более высоких частот, не выявленных при измерении ТЭН. Нарушение правой части неравенства приведет к завышенной оценке за счет подавления вклада наиболее высоких частот. Указанные неравенства имеют смысл в случае, когда сам процесс измерения ТЭН не влияет на характеристику проволоки. Для использования результатов измерения ТЭН с целью оценки соответствующей погрешности термопар необходимо, чтобы измерения ТЭН производились в области рабочих температур термопары. В этом случае обусловленную неоднородностью погрешность термопар или среднеквадратическое отклонение т. э. д. с. Опогр можно оценить но измеренной неоднородности 0изм из простого соотношения (при условии независимости НДТ от температуры): О^погр = изм (ДТэкспл/ДГизм). (8.11) где ДГизм и ДГакспл - перепады температур при измерении ТЭН и при эксплуатации термопары соответственно (второе неравенство редко реализуется на практике). При наличии периодов ТЭН, соизмеримых с Лэкопл или даже меньших, для иснользования формулы (8.11) дополнительно необходимо соблюдение равенства Аизм лгЛэкспл и линейное раснределеиие температуры в обеих переходных зонах. При невозможности выполнения указаных условий для оценки погрешности необходимо знание температурной зависимости НДТ, истинной формы температурных полей и спектра измеренной НИТ, (и). В этом случае в соответствии с формулой (8.9) спектральная плотность НИТ, gg [и) в температурном поле, соответствующем условиям эксплуатации термоэлектродной проволоки. V может быть выражена через g найденную при измерениях ТЭН: (8.12) Найдя gE (a), можно определить Kf (т) с помощью обратного Фурье-преобразования, откуда сразу определяется СТпогр =/С (0). Трудности получения необходимой для расчета Опогр (по приведенной схеме) информации для реальных термоэлектродных нро- волок до настоящего времени сдерживают внедрение аналогичных расчетных методов, см. также [398, 403]. По этой причине методы статистического анализа ТЭН используются пока лишь для контроля качества термоэлектродной проволоки; в оценках же погрешностей термопар все еще преобладают традиционные методы выборочной статистики без учета реальных температурных полей и спектров ТЭН, что не позволяет исключить погрешность за счет неоднородности даже при условии индивидуальной градуировки термопар. Влияние ТЭН на показания дифференциальной термонары рассмотрено в работе [431]. 8.4. ПРИЧИНЫ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ ТЕРМОЭЛЕКТРОДНОЙ ПРОВОЛОКИ, ТЕРМОЭЛЕКТРОДОВ И ТЕРМОПАР Оновные причины ТЭН сведены в табл. 8.1*. Действие их связано с указанными в таблице источниками ТЭН. Среди неречислеиных причин наибольшее влияние на ТЭН термоэлектродиых сплавов (проволок и термоэлектродов) оказывают те, которые связаны с воздействием на материал высокой температуры и вызывают неоднородные изменения состава и строения. Систематических исследований влияния всех перечисленных факторов на ТЭН промышленных электродных сплавов опубликовано не было. Результаты единственного исследования влияния некоторых технологических факторов на ТЭН хромеля, алюмеля и коиеля [41, с. 72-91] и отдельные сведения из других работ приведены ниже. ТЭН термопар, бывших в экснлуатации, исследована еще меньше, чем ТЭН термоэлектродов в исходном (до эксплуатации) состоянии, но проявление этой неоднородности - нестабильность т. э. д. с, в том числе нестабильность т. э. д. с, вызванная облучением, внешним давлением и действием электромагнитного поля, изучено значительно полнее и подробно обсуждается в гл. 9-12. Спектр ТЭН определяется природой термоэлектродных сплавов (химическим составом), технологией производства сплавов, проволоки, термоэлектродов и термопар, характером и режимом эксплуатации. Чистые металлы, используемые в качестве термоэлектродных материалов (например, медь, платина, вольфрам, молибден), обычно более однородны, чем сплавы на основе этих металлов (см. 8.5). Повышение чистоты металлов сопровождается, как правило, уменьшением ТЭН. В работе [423] показано, например, что ТЭН молибденовой проволоки, изготовленной из монокристаллов, в 7 раз меньше, чем ТЭН проволоки, изготовленной из металлокерамических заготовок. В то же время эксплуатационная неоднородность у термоэлектродов из более чистого молибдена оказывается большей. ТЭН разбавленных твердых растворов практически не зависит от концентрации легирующих элементов. В двухфазных сплавах, например в сплавах системы Си-Fe, ТЭН сильно зависит от концентрации легирующей добавки, повторяя характер зависимости * О влиянии температуры и ее распределения см. 8.1 и табл. 8.5-8.7, а также данные [43, с. 87-95]. Источники неоднородности Внд неоднород. ности Причины иеодиородности технология производства сплавов и термо-электродной проволо. ки § о ч о. о x = x Потеря компонентов сплава за счет избирательного окисления, испарения или связывания в соединения Поглощение извне элементов при взаимодействии с окружающей средой Ликвация и другие виды неоднородности при кристаллизации сплавов и производстве сплавов порошковыми методами Облучение Пластическая деформация (упрочнение) Упругие напряжения Превращения в твердом состоянии (упорядочение, распад твердого раствора) Отдых, рекристаллизация, рост зерна Неоднородность химического состава То же, неоднородность структуры и физического состояния Неоднородность структуры и физического состояния Источники иеодиородности Вид иеодиородности Причины неоднородности технология производства сплавов и термоэлектродиой проволоки
£q £ § с Электромагнитное поле Внешнее давление Примечания: I. Знак + означает Действие той или иной причины, знак - отсутствие действия, 2. Градуировку термопар следует рассматривать как ее эксплуатацию. 3. Источником неодиородиостн термоэлектродов прн эксплуатации термопар может быть их взаимодействие (путем диффузии или через газотранспортные реакции), прн котором один электрод обедняется, а другой обогащается каким-либо элементом. Т.Э.Д.С. [424]. В сплавах, претерпевающих превращения в твердом состоянии, например в хромеле (ближнее упорядочение), МЖ н ЗК (распад твердого раствора), обусловленная этими превращениями ТЭН может проявляться очень сильно при соответствующих условиях эксплуатации, а также при определенных условиях производства. ТЭН термоэлектродиых сплавов благородных металлов, no-Bvi-димому, должна быть несколько меньше неоднородности медных, никелевых и тугоплавких сплавов, так как все операции, связанные с высокотемпературным нагревом, не сопровождаются окислением и значительным испарением, т. е. не сопровождаются сильным изменением состава. Тот факт, что эксперимент ие всегда подтверждает это, говорит о том, что ТЭН представляет собой сложную суперпозицию неоднородностей, обусловленных многими факторами. В процессе открытой плавки и разливки термоэлектродиых сплавов неконтролируемое окисление легирующих элементов и примесей, а также ликвация могут приводить к появлению протяженной ТЭН. При открытой плавке и разливке хромеля т. э. д. с. проволоки, изготовленной нз этого сплава, становится более отрицательной при переходе от первого слитка к последнему по ходу разливки. У коиеля и алюмеля, наоборот, т. э. д. с. становится более положительной [41, с. 72-91]. Наблюдаемая зависимость протяженной ТЭН от порядка разливки в хромеле вызвана, по-видимому, обеднением сплава углеродом и кремнием, в алюмеле - кремнием, в конеле - марганцем. Т. э. д. с. проволоки, изготовленной из донной и литниковой частей слитка, часто наиболее сильно отклоняется от средних вели- 1 ... 9 10 11 12 13 14 15 ... 18 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||